磁流体密封

磁流体密封

磁流体就是以液体形式存在的磁性材料，它是由粒径约为10nm的强磁性粒子，通过表面吸附界面活性剂分子而稳定分散于合适基液中所形成的一种胶态体系。根据所含的磁性粒子不同，可分为铁氧体系、金属系和氮化铁系3类。根据基液的不同可为水基、油基、醚基和酯基。

磁流体是功能材料中的一支新秀，它既具有磁性又具有流动性, 在重力和磁力作用下能够保持稳定, 不会出现沉淀或分层现象。与其他液体相比，磁流体具有以下特点：

(1) 在外加磁场下, 有悬浮在载体中的能力。

(2) 既具有液体的流动性, 又具有固体磁性材料的特性, 有感应磁通的能力。

(3) 调节外加磁场强度, 可以改变磁流体的表观比重和粘度, 能使磁性的固体稳定地悬浮在其中。

(4) 超声波在磁流体中传播时, 其速度以及衰减与外磁场有关, 并显示各向异性。它的介电常数也是各向异性的。光通过稀释的磁流体时, 或磁流体的薄层时, 会产生光的双折射现象。当磁化时, 使相对于磁场方向具有光的各向异性, 具有高的折射率。此外, 在交变磁场中还具有磁粘滞现象。

(5) 在垂直磁场的作用下, 会自发地形成稳定的波峰。

(6) 对外加磁场的响应速度快, 撤去外磁场后,磁流体中的磁性粒子很快呈现无规则分布 ,即在无外加磁场时, 磁流体本身是不显磁性的。

(7) 磁流体在外加磁场的作用中, 将流向并固定在磁场强度高的一方。

对磁流体的研究起源于50 年代,标志是美国的Papell 在1963 年获得的第一个磁流体制备专利,并于1965 年在美国的NASA 航天产品的密封中获得成功应用。自此引发了对这种新型材料的研究开发和应用,并不断的取得新的进展,一步步的从实验室迈向实用化。70 年代我国开始进行磁流体的基础研究和应用探索。磁流体最通常的制备方法是借助于共同沉淀法制得粒度约为10nm 的磁铁矿之类铁氧体之后,吸附以界面活性剂,然后分散于油或水中即制成磁流体。新近又开发成功了将比铁氧体饱和磁化强应更大的纳米金属铁粉分散于液体中的磁流体,它是在水中添加粒径大的正离子或负离子(取代界面活性剂) 而将铁磁性纳米颗粒分散于液体中的离子性磁流体。当前,在磁流体中分散的铁磁性颗粒仅限于10nm 左右的大小,但可以通过改变所分散的铁磁性微粉和分散介质溶剂的性质来适应其各种用途。如果作为铁磁性微粉采用感温性铁氧体时可作磁流体泵和热泵使用;溶剂采用液态金属时

则可制备成导电性磁流体;溶剂采用弹性橡胶时可制成磁性橡胶;如果采用气体作为介质还可制成磁性气体。目前,应用最广的典型用途便是磁流体密封,还有利用磁流体的重力分选技术,以及加速度计等方面均已实用化。磁流体的应用现已扩展到机械、电子、能源、化工、冶金、船舶、航天、遥测、仪表、印刷、环保、卫生、医疗等诸多领域, 在密封、冷却、

润滑、医学、发动机、压缩机、换能器、计量阀、造影剂、生物学、精密研磨、阻尼减振、矿物分离、油水分离、快速印刷、定向淬火、执行元件、磁畴观察、各向异性以及其它方面有着新的应用, 是唯一具有工业实用价值的液体磁性智能化功能材料。

如图所示，磁流体密封件由永磁体、转轴、磁极、磁流体和磁回路组成。由于磁极齿尖处磁场力最强，磁流体集中于齿尖处，在密封间隙内形成一个“O”型液体密封环，将密封间隙充满而达到密封的目的

用铁磁流体封堵泄漏通道的半流体动密封(见图磁流体密封示意图

)。Fe3O4‧CrO2等铁

磁性超细微粒悬浮在低挥发性的液体中﹐形成铁磁流体。将铁磁流体置於密封间隙中﹐在磁场力作用下铁磁流体能形成强韧的液体膜﹐藉以阻止泄漏。磁流体密封常用於密封气体﹐适用於密封高真空系统。它可用於高速﹐但不耐高温和高

压。

磁流体密封所具有的优异密封性能,是靠它独特而又先进的密封原理所保证,这样就可以使从普通装置到高、精、尖设备仪器的密封长期稳定工作。磁流体密封与其它密封相比,虽然是较晚被人们发明并得到应用的一种密封形式,但随着社会发展,人类科学技术的进步,它却不同于有些密封形式,这些密封形式如机械密封、填料密封、浮环密封,迷宫密封等。其密封性能已无法满足当今社会密封的使用要求,逐步从各种设备中淘汰出去,而磁流体密封却得到更深入的研究和应用,它正不断向很多领域发展。

半导体材料单晶硅的生产设备单晶炉,它的内部需要很高的密封条件,来保证整支单晶在拉制生产中不被空气污染。而其中最为关键的就是单晶炉上部的籽晶杆旋转密封和下部的坩埚杆旋转密封,即所谓动密封。这两处要使用磁流体密封。下面介绍一下它的密封原理和主要性能。

2 磁流体密封原理

磁流体密封是依靠磁流体的强顺磁性,在外加强磁场作用下,磁流体沿着磁力线存在于密封的间隙中,保持易流动状态。图1为磁流图1体密封装置的结构简图。磁流体密封装置的结构图由磁铁、磁极、外套、磁流体、旋转轴这5

个主要部件组成。一般情况下,旋转轴为运动部件,其余设计为静止部件,在静止与运动部件之间保持一定的间隙,这样在这个间隙中,充满磁流体。由磁流体、磁极、磁铁和旋转轴组成一个有效的磁路,磁场总是存在这样一个连续的磁路中,基本上没有漏磁现象,磁路中将会长期稳定地保持一定的磁场强度,磁流体就会永久地保存在间隙中,来承担动密封作用。在这个间隙中,磁流体排斥一切外来的非磁性物质,即是我们需要密封的介质。这些非磁性物质包括气体、液体、固体。固体一般是指较微小的固体颗粒,它是可流动的。我们在应用中,无论是在正压还是在负压条件下,密封都是由多级组成,只有在无压状态下,如防尘等情况使用一级密封。图2为多级密封的工作情况,密封的总耐压差为P1-P6,而其中的后几级密封中,P4=P5=P6,并无压差,即耐压是由前三级共同承担,后两级是处于“待命”状态,起到备用作用。在这里可以看到,当压差较大时,所需要的密封级数将相应增多。单晶炉内的籽晶杆密封和坩埚杆密封,所设制的密封级数为4级,这是由设备的使用压力和密封寿命来决定的。单晶炉内压力范围是±0.1MPa,连续使用密封寿命可达10年以上,是其它密封形式寿命的几倍,甚至十几倍,使人们对密封装置是一易损件的概念得到了更正。国内做磁流体的厂商大概在7\8家,水平参差不齐,大多数是公司都是只有写字楼,加工全部外委.要不是小作坊式的小公司.做的最大最好的应当是株洲众欣科技公司,他们在株洲栗雨工业园有15亩的厂房和设备.近二年来.在海外市场磁流体应用相对集中的微电子行业\液晶再生行业发现了该公司的产品

3 磁流体密封性能

3.1 适用压力范围

磁流体密封采用的是多级结构共同分担压力,但又不可能无限制的增加级数来达到密封压力的提高,而是多采用提高磁流体的性能,或是在结构上、磁路设计方面进一步合理来达到一定的承压能力。一般磁流体密封使用压力范围在

0.5MPa以下,负压可达1.3×10-4Pa汞柱,特殊还可提高。我们在实验室研究它的密封压力时,其稳定状态下达到0.87MPa,这是在轴向尺寸和密封级数受到限

制情况下获得的。这就是说磁流体密封适合在低压至高真空情况下使用,密封的两侧都可以承受正压或者负压,没有方向性要求。

3.2 适用温度

磁流体密封装置一般都设有水泠却,用于保障磁流体总是处在常温状态下工作,单晶炉内晶体温度在1400℃左右,密封装置在正常冷却的情况下,工作良好,未受到影响。在设有温度调节装置时,磁流体密封一般可在-20℃至75℃范围内使用,超过此范围将降低密封的使用寿命

3.3 线速度

磁流体密封线速度为0~100m/s,即不仅在低速下能正常工作,高速下同样能达到满意的密封效果。我们在1984年研制的磁流体密封装置就在化工行业上的设备得到应用,其中转速达到8000转/分,在真空条件下使用。而其它形式密封是很难做到的。这是因为磁流体密封属于非接触式密封,超高速度下,摩擦发热不大,并且没有磨损,功率损耗就很小,相对振动和噪声也较小。

3.4 泄漏率

磁流体密封装置是多级密封。前面接触介质压力的几级密封,负责分担全部压力,后面几级密封处于“待命”状态,未参加密封,已无压差,所以介质的泄漏率近似是零,在用氦质谱检漏仪进行检查时,无任何泄漏反应,这方面其它形式密封是无法做到的。单晶炉在生产过程中,就是在真空或氩气保护下进行的,用磁